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CN102734205B - 用于小轴直径的轴颈空气轴承 - Google Patents

用于小轴直径的轴颈空气轴承 Download PDF

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CN102734205B CN201210089763.9A CN201210089763A CN102734205B CN 102734205 B CN102734205 B CN 102734205B CN 201210089763 A CN201210089763 A CN 201210089763A CN 102734205 B CN102734205 B CN 102734205B
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Abstract

本发明涉及用于小轴直径的轴颈空气轴承。具体地，一种轴承箔片组件包括顶箔片、中间箔片和波箔片。所述波箔片在周向间隔的位置处设置有褶皱。所述波箔片具有从所述箔片组件的中心径向向外弯曲的端部。所述顶箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且邻近于所述波箔片的弯曲端部。在邻近于所述弯曲端部的第一端部处通向所述弯曲部分的弧形部分被限定为具有第一曲率半径。所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处限定了第二曲率半径。所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间。还公开了轴承组件、轴子组件、空气机以及将轴承组装到空气机中的方法。

Description

用于小轴直径的轴颈空气轴承
技术领域
本申请涉及用于轴颈轴承的箔片，其尤其适于用在小的轴直径上。
背景技术
空气机是已知的并且包括压缩机，该压缩机对空气进行压缩并且输送空气以便下游的使用，例如飞机空气供应系统。来自压缩机出口的空气的一部分越过涡轮转子，驱动涡轮转子旋转。
空气机中包括多个轴，并且所述多个轴包括空气轴承。在现有技术中，采用多个箔片构件是已知的，包括波箔片、中间箔片和顶箔片。这些箔片中的两个具有弯曲部分，该弯曲部分延伸到周围套筒中的键槽中。
在现有技术中，被支撑在轴承内的轴具有相对大的直径。
发明内容
一种轴承箔片组件包括顶箔片、中间箔片和波箔片。所述波箔片在周向间隔的位置处设置有褶皱。所述波箔片具有从所述箔片组件的中心径向向外弯曲的端部。所述顶箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且邻近于所述波箔片的弯曲端部。在邻近于所述弯曲端部的第一端部处通向所述弯曲部分的弧形部分被限定为具有第一曲率半径。所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处限定了第二曲率半径。所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间。
还公开了轴承组件、轴子组件、空气机以及将轴承组装到空气机中的方法。
从以下说明和附图可最佳地理解本发明的这些和其它特征，其后是简要描述。
附图说明
图1示出了空气机。
图2示出了本发明的箔片组件的细节。
图3示出了轴颈套筒。
具体实施方式
如图1所示，空气循环机120包括压缩机入口118，其将空气输送到压缩机转子24。压缩机对空气进行压缩并且将空气朝向压缩机出口26输送。压缩机出口26可通向飞机空气供应系统。另外，压缩机出口26的一部分通入涡轮入口128中，并且驱动涡轮转子130旋转。涡轮的输出通向涡轮出口19，并且也被用作飞机空气供应系统的一部分。
系杆17连接转子24和130，并且还连接到风扇转子132。
冷却空气入口35从涡轮入口128取空气，并且将空气输送到腔室134中。该空气在壳体部分37上的推力轴承表面36和盘40之间轴向地通过。盘40是推力轴138的一部分。空气沿推力轴承表面36通过，空气的一部分如图1所示延伸到右侧，并且沿着轴颈轴承12。轴颈轴承12支撑涡轮轴60。其他空气通向左侧，并且沿着轴颈轴承41。沿着轴颈轴承12通过的空气到达孔200，并且进入推力轴138的内部52中，然后从孔50出来并通向出口300。
如图2所示，轴颈轴承12包括三个箔片。所述箔片包括波箔片28、中间箔片30和顶箔片32。波箔片28、中间箔片30和顶箔片32各自是金属（例如镍基合金或钢）的薄片，其缠绕（或卷绕）成大致圆柱形并且位于由基本圆柱形内表面16限定的轴颈套筒13的孔中。波箔片28具有褶皱29，允许工作流体或冷却流体流动通过相邻褶皱29或波纹之间形成的空间。波箔片28定位成邻近于轴颈套筒13的内表面16并且具有弯曲端部34，弯曲端部34径向向外延伸并至少部分地进入键槽22中以便相对于轴颈套筒13来保持波箔片28。中间箔片30定位成邻近于波箔片28并且在波箔片28的径向内部，顶箔片32定位成邻近于中间箔片30并且在中间箔片30的径向内部。中间箔片30和顶箔片32在弯曲部分38处连结到一起，该弯曲部分38径向向外延伸并至少部分地进入键槽22中以相对于轴颈套筒13来保持中间箔片30和顶箔片32二者。
在例如美国专利7,648,279和7,648,280中公开了已知的轴颈空气轴承以及箔片组件的进一步细节。
如图2和图3所示，轴60位于轴颈套筒13以及箔片28、30和32内侧。在操作期间，轴60可能旋转到顶箔片32的自由端部中，趋向于打开卷绕的箔片（即，关于图2所示的轴颈轴承12的剖面逆时针）。轴60的旋转导致工作流体在轴60以操作速度旋转时形成支撑轴60的缓冲垫（常常称为“空气轴承”），而轴60和顶箔片32之间没有或只有很少的直接接触。然而，在相对低速操作时（例如在启动和停机阶段期间）以及由于常规操作期间偶然发生的接触，仍然可能出现轴60和顶箔片32之间的接触。
轴颈套筒13包括第一O形环平台62和第二O形环平台64以及中间部分70。第一O形环平台62定位成邻近于轴颈套筒13的第一端部18，并且第二O形环平台64定位成邻近于轴颈套筒13的第二端部20。第一和第二O形环平台62和64各自限定了轴颈套筒13的外表面的基本圆柱形区域，其平行于轴线A。
轴颈套筒13可由金属材料制成，并且使用诸如铣削、车削和磨削之类的已知技术来成形。
壳体74、第一O形环76和第二O形环78围绕轴颈套筒13。壳体74通常限定孔80，轴颈套筒13定位在孔80中。在所示实施例中，第一和第二O形环76和78分别在第一和第二接合沟槽82和84中与壳体74接合。第一O形环76抵靠并接合轴颈套筒13的第一O形环平台62，并且第二O形环78抵靠并接合轴颈套筒13的第二O形环平台64。第一和第二O形环76和78可以是已知用于流体动力学流体膜轴颈轴承系统的常规类型。
如上所述的一般性结构在上面引用的专利中提及的现有技术所包括的轴颈轴承和箔片组件中也是这样。本申请涉及独特的箔片组件，其尤其很好地适合于小直径轴。
图2示出了当轴60具有相对小的外直径时使用的箔片组件。对于以下讨论，假设轴60的外直径的半径（R3）小于0.5英寸（1.27 cm），并且可以在约0.45英寸（1.14 cm）的量级上。在实施例中，半径的范围可在0.25英寸和0.5英寸（0.63 cm到1.27 cm）之间。
在该箔片组件中，每个褶皱或波形29的节距或周向长度为d1。在一个实施例中，在波箔片的厚度为0.004英寸（0.010 cm）的情况下，该节距距离可为约0.143英寸（0.363 cm）。节距距离可以在0.125英寸到0.178英寸（0.317 cm到0.452 cm）之间。波箔片的厚度可以在0.003英寸到0.0045英寸（0.008 cm到0.011 cm）之间。顶箔片的厚度可以在0.0025英寸到0.004英寸（0.006 cm到0.010 cm）之间。
这与诸如上述在先专利中的用于较大直径轴的箔片组件形成对比。现有技术的轴直径在1.25英寸（3.17 cm）或1.96英寸（4.98 cm）的量级上。在这种箔片组件中，再次对于0.004英寸（0.010 cm）的厚度，节距为0.125英寸（0.317 cm）。
在本发明的实施例中，d1与波箔片28的厚度的比率在25和60之间。
此外，d1与轴60的半径R3的比率在0.25和0.70之间。
另外，尺寸d2被限定为从顶到中间箔片，作为楔形台阶。在该实施例中，该距离d2为约0.015英寸（0.036 cm）。楔形台阶可以在0.010英寸到0.020英寸（0.025 cm到0.050 cm）之间。
在本发明的实施例中，d2与R3的比率在0.020和0.080之间。
在本发明的实施例中，d1与d2的比率在6和17之间。
另外，波箔片28的弯曲端部34邻近于弯曲部分38，弯曲部分38将顶和中间箔片30/32固定成被固定在键槽22中。R1被限定为弯曲部分38的邻近于弯曲端部34的那个端部的曲率半径。R2是弯曲部分38的相对端部的曲率半径。在一个实施例中，R1为0.014英寸（0.035 cm）并且R2为0.010英寸（0.025 cm）。R1可以在0.009英寸和0.020英寸（0.022 cm到0.050 cm）之间，并且R2可以在0.002英寸和0.015英寸（0.005 cm到0.038 cm）之间。R1与R2的比率在0.6和10之间。在更狭窄的范围内，R1与R2的比率在0.6和4之间。
在现有技术中，R1的尺寸为0.50英寸（1.27 cm），而R2的尺寸为0.015英寸（0.038 cm）。
在本发明的实施例中，R1与R3的比率在0.02和0.08之间。
本发明的尺寸导致箔片组件很好地适合于较小的轴。
本发明的流体动力学流体膜轴颈轴承12可按照下述方式来组装。将箔片28、30和32组装在轴颈套筒13的内侧，并且分别将第一和第二O形环76和78定位在壳体74中的接合沟槽82和84中。然后，将轴颈套筒13（带有组装在其内的箔片28、30和32）在第一和第二O形环76和78的内侧插入壳体74的孔80中。可首先将轴颈套筒13的第一端部18插入孔80中。
虽然已经公开了本发明的实施例，本领域普通技术人员可认识到某些修改会落入本发明的范围内。为此，应研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (10)

1.一种轴承箔片组件，包括：
顶箔片、中间箔片和波箔片，所述波箔片在绕中心轴线的周向间隔的位置处设置有褶皱，所述波箔片具有从所述中心轴线径向向外弯曲的弯曲端部；
所述顶箔片和中间箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且邻近于所述波箔片的弯曲端部，所述弯曲部分在邻近于所述弯曲端部的第一端部处的弧形部分具有第一曲率半径，并且所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处具有第二曲率半径，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间；
限定了所述波箔片中的褶皱的节距距离，并且所述节距距离与将要被支撑在所述箔片组件中的轴的半径的比率在0.25和0.70之间；
所述节距距离与所述波箔片的厚度的比率在25和60之间；
楔形台阶距离被限定在所述顶箔片和中间箔片之间，所述节距距离与所述楔形台阶距离的比率在6和17之间；以及
所述第一曲率半径与将要被支撑在所述箔片组件中的轴的半径的比率在0.02和0.08之间。
2.如权利要求1所述的轴承箔片组件，其中，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的所述比率在0.6和4之间。
3.一种轴承组件，包括：
限定径向内表面的套筒，所述套筒具有键槽；和
被接收在所述径向内表面内的箔片组件，所述箔片组件包括顶箔片、中间箔片和波箔片，所述波箔片在绕中心轴线的周向间隔的位置处设置有褶皱，所述波箔片具有从所述中心轴线径向向外弯曲并进入所述键槽的弯曲端部，所述顶箔片和中间箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且进入所述键槽，所述顶箔片在邻近于所述弯曲端部的第一端部处通向所述弯曲部分的弧形部分具有第一曲率半径，并且所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处具有第二曲率半径，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间；
限定了所述波箔片中的褶皱的节距距离，并且所述节距距离与将要被支撑在所述箔片组件中的轴的半径的比率在0.25和0.7之间；
所述节距距离与所述波箔片的厚度的比率在25和60之间；
楔形台阶距离被限定在所述顶箔片和中间箔片之间，所述波箔片的褶皱的节距距离与该楔形台阶的比率在6和17之间；以及
所述第一曲率半径与将要被支撑在所述箔片组件中的轴的半径的比率在0.02和0.08之间。
4.如权利要求3所述的轴承组件，其中，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的所述比率在0.6和4之间。
5.一种轴子组件，包括：
被支撑在轴颈套筒中的轴，所述轴颈套筒包括箔片组件，所述箔片组件在所述轴的外周界和所述轴颈套筒的内周界中间，所述轴颈套筒还包括键槽；
所述箔片组件包括顶箔片、中间箔片和波箔片，所述波箔片包括多个周向间隔的褶皱，并且所述波箔片具有被接收在所述键槽中的弯曲端部，所述顶箔片和中间箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且进入所述键槽，所述弯曲部分在邻近于所述弯曲端部的第一端部处的弧形部分具有第一曲率半径，并且所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处具有第二曲率半径，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间；
限定了所述波箔片中的褶皱的节距距离，并且所述节距距离与所述轴的半径的比率在0.25和0.7之间；
所述节距距离与所述波箔片的厚度的比率在25和60之间，并且所述第一曲率半径与所述轴的半径的比率在0.02和0.08之间；以及
楔形台阶距离被限定在所述顶箔片和中间箔片之间，所述波箔片的褶皱的节距距离与该楔形台阶的比率在6和17之间。
6.如权利要求5所述的轴子组件，其中，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的所述比率在0.6和4之间。
7.一种空气机，包括：
压缩机转子，所述压缩机转子被连接以随涡轮转子旋转，所述压缩机转子的出口使空气的至少一部分越过所述涡轮转子；和
随所述涡轮转子旋转并且被支撑在轴颈套筒中的轴，所述轴颈套筒包括箔片组件，所述箔片组件在所述轴的外周界和所述轴颈套筒的内周界中间，所述轴颈套筒还包括键槽；
所述箔片组件包括顶箔片、中间箔片和波箔片，所述波箔片包括多个周向间隔的褶皱，并且所述波箔片具有被接收在所述键槽中的弯曲端部，所述顶箔片和中间箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且进入所述键槽，所述弯曲部分在邻近于所述弯曲端部的第一端部处的弧形部分具有第一曲率半径，并且所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部处具有第二曲率半径，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间；
限定了所述波箔片中的褶皱的节距距离，并且所述节距距离与所述轴的半径的比率在0.25和0.7之间；
所述节距距离与所述波箔片的厚度的比率在25和60之间；
所述第一曲率半径与所述轴的半径的比率在0.02和0.08之间；以及
楔形台阶距离被限定在所述顶箔片和中间箔片之间，所述波箔片的褶皱的节距距离与该楔形台阶的比率在6和17之间。
8.如权利要求7所述的空气机，其中，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的所述比率在0.6和4之间。
9.一种将轴承组装到空气机中的方法，包括步骤：插入轴承套筒，所述轴承套筒具有箔片组件，所述箔片组件具有在所述轴承套筒的内周界中的顶箔片、中间箔片和波箔片，所述波箔片具有径向向外弯曲并进入所述轴承套筒的键槽的弯曲端部，并且所述顶箔片和中间箔片具有弯曲部分，所述弯曲部分径向向外延伸并且定位在所述键槽中，在邻近于所述弯曲端部的第一端部处通向所述弯曲部分的弧形部分具有第一曲率半径，并且所述弯曲部分的与所述弯曲端部相对的端部上的端部具有第二曲率半径，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的比率在0.6和10之间；
限定了所述波箔片中的褶皱的节距距离，并且所述节距距离与将要被支撑在所述箔片组件中的轴的半径的比率在0.25和0.7之间；
所述节距距离与所述波箔片的厚度的比率在25和60之间；
所述第一曲率半径与所述轴的半径的比率在0.02和0.08之间；以及
楔形台阶距离被限定在所述顶箔片和中间箔片之间，所述波箔片的褶皱的节距距离与该楔形台阶的比率在6和17之间。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的所述比率在0.6和4之间。
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